随着社会经济的快速发展和我们正常的生活水平的逐步提升,能源利用总额是急剧攀爬。虽然技术上已尝试对多款新型能源(如太阳能、潮汐能、生物能等)的利用,但总体上仍须主要依赖对环境有较大影响的石油、煤炭、天然气等传统化石能。很明显传统化石能面临枯竭只是时间问题,因此必须变革传统能源利用体系,以有效应对能源危机与环保问题。

  能源是人类存续的物质基础,是文明进展的先决条件。可以认为,人类社会发展史伴随着能源利用体系的变革史。近代工业革命以来科学技术呈阶跃式提升,使得人类能上天入地,彻底颠覆了以往的生存状态。但也引发了一些严重的问题,如遭遇能源利用瓶颈:几乎一百多年的时间,呈指数暴涨的能源需求主要由传统化石能解决。传统化石能加工便捷、利用方便,但终归是不可再生,且对环境有重大破坏作用。因此,为了人类的可持续发展,拓展能源利用方式可谓迫切之至。在这种情势下,智能电网、能源互联网、综合能源系统等新型能源利用体系应运而生,其中综合能源系统的发展尤为迅捷。

  综合能源系统的本质是依托先进的物理信息技术和管理模式,对一定区域内的异质能源子系统进行整合,达成它们之间的交互响应、互补互济,最终大幅升高能源利用效率。美国、德国、加拿大等发达国家早在本世纪初的10年内就出台相关策令推动综合能源系统的发展。随着网络的普及,综合能源系统中供需双侧的双向互动显著地增强,各类能源用户(空调/热泵/电动汽车/分布式发电等)在充分掌握自身用能信息和系统运作时的状态基础上,往往有意愿主动参与到能源系统的实时平衡和用能管理上来。这样,综合能源体系的中心将不可避免地向用户侧转移,即体系由垂直化纵向分层体系向扁平化横向平台转变。

  综合能源系统是具综合性、集成化于一体的新一代能源系统,其大致架构包括:供能网络(供电网络、供气网络、供冷网络、供热网络),能源交换环节(CCHP机组、发电机组、空调、热泵、锅炉)能源存储环节(储电、储气、储热、储冷),终端综合能源共用单元,最终用户。面向用户的综合能源系统也适用上述定义架构,也追求多种能源的交叉互补,但其更侧重能源转化和消费环节。面向用户的综合能源系统的特点解析:互联网的普及为多元用户主动参与综合能源系统互动提供可能性,用户侧灵活资源的大量普及为多元用户主动参与综合能源系统互动提供物质基础,以用户为中心的综合能源系统呈现扁平化、分布式布局体系,以用户为中心的综合能源系统具有供需双侧智能交互的运行特点,以用户为中心的综合能源系统将促进端对端能量交易的发展。

  随着互联网覆盖面的扩展,大量用户能充分掌握到系统的全景信息,从而方便主动参与用能管理并使之优化。用户侧灵活资源的发展增进了综合能源系统各用能换件之间的藕合程度,有利于多元用户与系统的双向协同互动。为适应能源用户的指数级增长,以用户为中心的能源系统将朝着平等开放、即插即用、智能互动的方向发展。随着众多微电网的形成,传统能源系统中供给者、消费者的概念将被淡化,即过去的能源使用者亦可转换成能源服务商。用户侧涌现的能源服务商具有更高的灵活性和适应性,能适应P2P(端对端)甚至是C2C(用户对用户)等商业模式,从而大幅度的提高能源利用效率。综合上述,面向用户的综合能源系统将从纵、横两个方向促进多种能源形式的交叉互补和优化管理。

  面向用户的综合能源系统涵盖面广、牵涉技术节点多,欲对该系统来进行能量管理方面的优化,需厘清用户侧综合能源的现行态势,积累起各项基础核心数据:用户用能结构。主要指各类传统化石能和新型能源的体量和占比情况。方便能量交互关系分析,并为能源结构的调整和优化确立方向;用户用能项目及用能特征。指用户各类生产生活所需能源的占比。为深挖掘节能潜力和能源合理调度奠定基础;用户用能成本及经济效益分析。主要是借助替代分析法估算能源结构转换所带来的减排效果以及能耗下降预期;灵活资源可调度潜力的评估。主要指对于系列可再次生产的能源,统筹电价信号、可中断负荷、激励政策等诸项需求侧响应机制,并虑及不确定性因素,建立多时间尺度的源-荷互动响应调度模型。总之,必须基于大数据技术,以科学、全面的数学模型为依托,产生出兼顾经济效益、供需平衡、环保提升等多个层面的管理决策。

  显然,在综合能源系统的协同优化中,数据是基础、建模是关键,以下为不同场合的建模探索:对于电、热、气均占且不能对某一类型能源作简单忽略的综合能源系统来说,应关注不同能源类型在不同时间段的被使用特征,以多时间尺度为抓手,以热电联产电厂、热泵、燃气锅炉等连接各能源子系统的藕合元件为切入点,借助能源集线),组建协同潮流分析模型(网络藕合部分可经由多向量转换效率矩阵给出表达),研判各异质能的稳态交互关系,由此产生投资决策、运行优化等核心决策;对于以电-气为主的综合能源系统,要以多时间尺度为建模基点,考虑安全约束,追求燃煤机组和燃气机组的系统运行的成本最小化。为满足经济调度,同时符合不一样能源的运行特征,对天然气管道的动态过程宜用偏微分方程表达,对电力系统的动态过程则用微分方程表达;对于智能小区的能量优化管理,首先研究小区的业务流和信息流,接着进行综合管理架构设计,再次开展如图3所示的业务功能和相应配置细化。这样,就能依据环境参数、历史用电和电价结构等信息产生用电管控策略,使家庭用能达到最优态势。

  面向用户的综合能源系统耦合关系复杂、控制变量繁多,以上叙述虽然给出了大致研究架构,但在实际实施中特别需要侧重以下难点,并注意完善:面向用户的综合能源系统含有多种异质能源子系统,进行协同建模时一方面要考虑它们间的协同交互和作用机理,另一方面应对信息流和能量流作统一抽象分析,区分稳态、动态情形;面向用户的综合能源系统强调供需双侧的智能交互,因此不能将供需互动局限于单个用户、楼宇、小区的范围,应注重对多元用户侧灵活资源间的能源互补的挖掘(即对大规模用户同时参与互动进行整体性和协调性的考量)。综合上述,面向用户的综合能源系统的协同优化与能量管理可最终归纳为图5所示流程,可以此为参照进行各项问题的突破。

  对于面向用户的综合能源系统的管理优化,协同建模是第一步、也是核心工作,但除此之外还需要相关软、硬件的支撑:软件平台层面。面向用户的综合能量优化管理系统应依托网络技术,将物理性质的能源网络与控制性质的信通网络作集成,在综采全景数据基础上,利用大数据技术和智能算法,对用户用能行为、各异质能源消耗特征及交互关系等进行自动分析,并统筹需求侧响应、电价互动和能量管理策略等信息,以综合最优(经济/环保)为追求生成自适应控制方式;终端硬件层面。主要要基于智能、互动理念,达成对数量庞大的用户的用能开展即时计量及设备正常运行进行全方位监控,使得软件平台产生的自适应控制策略得以迅捷执行。总起来说,用能计量及设备监控是核心模块,它能获取能量流状态,为信息交互垫定物理基础。

  随着能源利用深度的加大,推行综合能源系统势在必行。而用户是能源唯一受用者,综合能源系统的发展趋势必然绕不开以用户为中心。面向用户的综合能源系统的管理优化,就是要充分考量用户用能的行为特征,研究电、气、冷、热等多种异质能的运行特点,以多时段划分为准则,以供需双方经济、环保为追求,实现区域能量流的合理化,达成用户侧各类灵活资源的消纳利用,最终形成总体能耗下降、用能效用增加的局面。